Самонаводящаяся антенна может потеснить "тарелки"

[yorick]

Плоская самонаводящаяся антенна потеснит спутниковые "тарелки"

Громоздкие современные спутниковые антенны и наземные терминалы могут уйти в прошлое благодаря исследованиям ученых из Королевского университета Белфаста и Европейского космического агентства. Команда европейских инженеров разрабатывает дискретную самонаводящихся плоскую антенну. В перспективе она может стать универсальным, дешевым, компактным и энергоэффективным решением для различных технологий, которые используются в широкополосном спутниковом и телевизионном вещании, а также для спутниковой мобильной связи, которая сегодня требует точного наведения на спутник.
Новый тип антенны будет создаваться в рамках 18-месячного проекта ЕКА по разработке полностью автономных твердотельных самонаводящихся антенн, которые должны быть гораздо легче и экономичнее современных.
Команда ученых под руководством профессора Винсента Фуско (Vincent Fusco) в настоящее время заканчивает работу над 1,6-ГГц прототипом антенны, способной обеспечить скорость передачи данных на уровне 0,5 Мб/с, при этом потребляя всего 2 Вт мощности. Ожидается, что это устройство впоследствии сможет работать на частотах 20-30 ГГц и обеспечит гораздо большую пропускную способность.
Прототип новой антенны представляет собой массив из 20 плоских антенных решёток 30 на 40 см и толщиной всего 12 мм. Схема антенны предполагает полностью аналоговую обработку сигнала и включает специальные цепи фазовой автоподстройки частоты. Обычные схемы преобразуют входящие сигналы в цифровые, обрабатывают их, а затем преобразовывают обратно в аналоговые. Это, однако, ограничивает их частоты, повышает сложность, стоимость и энергопотребление. Дискретная самонаводящаяся плоская антенна существенно экономичнее и дешевле, к тому же она не требует точного позиционирования и работает в движении. Ее можно будет использовать в различных областях. Например, широкополосные спутниковые антенны самолетов чрезвычайно сложно устроены. Они должны быть объединены с бортовой навигационной системой для точного наведения на спутник, соответственно требуется сложное и дорогое программное обеспечение, точные и надежные механизмы позиционирования. И все это дополнительное оборудование потребляет энергию и утяжеляет самолет. Кроме того, подобную схему трудно применить в поездах и автомобилях.
Новая плоская антенна должна повысить удобство пользования спутниковой связью, снизить потребление энергии в 10 раз, вес в пять раз, а стоимость - в четыре раза.

Источник:
http://rnd.cnews.ru/tech/news/line/index_science.shtml?2011/02/02/425653
_________________
OLED Panasonic TX-65HZ980E; Pioneer LX-5090; Vu+ Duo 4K; AX HD61 4K; DM8000; Inverto Premium ZXC 120cm, Strong SRT-DM2100 (90*E-30*W), many different cards&CAM's (incl. PRO) for Pay TV

Желаю, чтобы у Вас сбылось то, чего Вы желаете другим!

[dilsuz]

Что то картины нет . Смотреть хочется на сие чудо
_________________
Опенбокс S1, S3 mini HD + кабельное телевидение. Все равно телик смотреть нету времени,,,,,,

[zhenya_hacker]

Британские учёные?

[yorick]

Ну да.
Официальное название страны - помните?
_________________
OLED Panasonic TX-65HZ980E; Pioneer LX-5090; Vu+ Duo 4K; AX HD61 4K; DM8000; Inverto Premium ZXC 120cm, Strong SRT-DM2100 (90*E-30*W), many different cards&CAM's (incl. PRO) for Pay TV

Желаю, чтобы у Вас сбылось то, чего Вы желаете другим!

[Harmf]

Принцип действия плоских антенн.
Плоские антенны изготавливаются на основе полосковых излучателей, соединенных параллельно и образующих плоскую антенную решетку. Особенностью такой антенны является широкая диаграмма направленности и значительный уровень боковых лепестков.

Конструктивно антенна представляет собой диэлектрик, на который по интегральной технологии наносятся медные проводники – микрополоски определенной формы и размеров.

С обратной стороны диэлектрика наносится сплошной слой проводника, который играет роль рефлектора и оказывает существенное влияние на диаграмму направленности.

К основным достоинствам плоских антенн следует отнести: – высокую технологичность изготовления; – возможность управления диаграммой напраВ ленности; – простота установки; – малая масса.




Рис. 1. Плоская спутниковая антенна (а) и вариант ее крепления (б)

Основным недостатком плоских антенн, затрудняющих их использование при индивидуальном приеме спутникового телевидения, является невозможность приема сигналов с различными видами поляризации, то есть для каждого вида поляризации требуется своя антенна, что неприемлемо для частного потребителя.

На рис. 1 а, б представлена плоская спутниковая антенна, и вариант ее крепления.

Наибольший интерес представляет опорно-поворотное устройство (ОПУ), позволяющее перемещу, антенну относительно двух осей: вертикальной t (или) горизонтальной. .

При азимутально-угломестной подвеске зеркало может вращаться относительно вертикальной и го. ризонтальной осей независимо (рис. 2). В этот случае точная настройка антенны с одного спутника на другой – непростая двухкоординатная задача. Поэтому в индивидуальных спутниковых системах такая подвеска крепится жестко, т. е. перемещение антенны не предусмотрено.

При полярной подвеске антенна вращается вокруг оси, совпадающей с направлением на Полярную звезду (рис. 3).

Электропривод опорно-поворотного устройства (ОПУ) состоит из электродвигателя и выдвижной штанги, перемещение которой обеспечивает поворот антенны вокруг вертикальной оси.


Рис. 2. Азимутально-угломестная подвеска

Позиционер запоминает или иное положение антенны в виде определенного кода, а затем при наборе этого кода устанавли-т антенну строго в соответствующее положение. Кроме возможности обеспечивать необходимую ориентацию антенны, ОПУ должно иметь достаточно прочную конструкцию, ибо на антенную систему приходятся значительные ветровые нагрузки. Подвеска антенны должна быть такой, чтобы отклонение оси антенны, вызванное давлением ветра, не превышало 0,1° ширины диаграммы направленности главного лепестка.

При установке и настройке приемной антенны на какой-либо геостационарный спутник – ретранслятор, необходимо произвести расчет координат. Поскольку каждый спутник, находящийся на геостационарной орбите постоянно находится над определенной точкой поверхности Земли, направление на данный спутник остается неизменным и определяется только географическими координатами мест приема и местоположением самого спутника.

Рис. 3. Основы конструкции антенны с полярной подвеской

Направление характеризуется двумя параметрами: углом места и азимутом.

Исходными для расчета данными являются следующие географические координаты:
В – широта места приема, в градусах (северная или южная);
L – долгота места приема, в градусах (западная или восточная);
L – долгота спутника, в град.

Для данных расчетов используются только геодезические координаты, с максимальной точностью, лучше всего определять координаты точки приема по топографической карте.

Знак «+» используется в случае, когда спутник расположен западнее места приема, а знак «-», если восточнее.

Рассмотренный метод ориентирования антенны по направлению на ИСЗ называется азимутально-угломестными, т. к. оно производится по двум координатам: по азимуту и по углу места. Отличительная особенность этого метода ориентирования состоит в том, что для ориентирования по азимуту антенна вращается вокруг оси, расположенной вертикально относительно поверхности земли, которая называется азимутальной осью опорно-поворотного устройства антенны. Поэтому на любой широте точки приема за исключением северного и южного полюсов азимутальная ось пересекает плоскость экватора и, соответственно, плоскость геостационарной орбиты под некоторым острым углом, это приводит к тому, что каждому спутнику, размещенному на геостационарной орбите, соответ-твуют для данной точки приема персональные знания азимута и угла места направления антенны.

Для полярной ориентации по-прежнему требуется наличие механизма вертикальной оси и поворота антенны вокруг этой оси, а также механизма поворота антенны по углу места. Однако, эти механизмы используются только один раз, при установке антенны. В дальнейшем переориентирование антенны с одного спутника на другой осуществляется только поворотом вокруг полярной оси.

[Harmf]

Такие антенны можно рассматривать как прототип большой антенной решетки, которую врашать нет необходимости. Кстати, во времена, когда спутниковая тарелка была предметом роскоши, и вызывала нашествие пролетарских зеленых жаб, антенны маскировали под цветочные ящики на балконе. Это были те самые антенные решетки. Стоили они дороже чем тарелка, зато не вызывало нездоровых чувств у простой публики.
Возможно. сейчас в это с трудом верится, но ко мне даже участковый приходил, проверять, не установил ли я незаконное спутниковое телевидение.
Проблема антенных решеток была в фазировании элементов для формирования диаграммы направленности. Хотя у вояк этой проблемы не было.



Трудно, конечно представить себе такую вот антеннку на своем дачном участке.
Хотя мы всегда фантазировали, что хорошо бы было южный склон дачного домика превратить в этакую ФАР (фазированную антенную решетку). Но все это стоило бы немыслимо дорого, поэтому дальше теоретических разговоров дело не шло.
Однако разработки в этой области всегда велись и продолжаются.
Так что шутки о "бретансгих учоных" иногда просто неуместны. Учили бы лучше матчасть.

[Harmf]

Фазированная антенная решетка (ФАР) состоит из нескольких элементарных антенн, сигналы которых суммируются. Как правило, элементарные антенны располагаются в одной плоскости. Фазированные антенные решетки интересны тем, что ими можно управлять: по-разному задерживая по времени сигналы от тех или иных элементарных антенн можно перемещать в пространстве электрическую ось антенны (ось диаграммы направленности), оставляя саму антенну механически неподвижной. В 90-х годах небольшие спутниковые антенны на основе фазированной антенной решетки выпускала фирма Nokia, несколько образцов таких антенн для приема в диапазоне Ки были созданы и в Российских НИИ. Все это плоские (планарные) антенны на основе неуправляемых фазированных антенных решеток. Такую антенну необходимо механически ориентировать по направлению на спутник, как любую другую. Фазированные антенные решетки оказались слишком дороги, поэтому сегодня в спутниковом телевидении они применяются мало. Редкий пример управляемой фазированной антенной решетки для спутникового телевидения — автомобильная спутниковая система А5 американской фирмы KVH. Это плоская антенна высотой всего около 14 см, которая устанавливается горизонтально на крыше автомобиля, на место верхнего багажника, и обеспечивает непрерывный прием спутникового сигнала в движении. К сожалению, система работоспособна только в низких широтах (спутник должен иметь угол места не менее 31 градуса) и только в том случае, если спутник не заслоняют какие-либо препятствия, например, лес. В нашей северной лесной стране смотреть спутниковое телевидение в автомобиле пока проблематично.

[Harmf]

Для тех, кому интересно, и кто умеет читать. Букф многа :-)

Электронное управление лучом превращает антенну в активное средство обработки сигналов. Наиболее распространенная форма такой антенны - фазированная антенная решетка (ФАР). Рассматриваются различные способы управления электромагнитными волнами в ФАР, в частности управление с помощью полупроводниковых p-i-n диодов. Изложены исторические аспекты обсуждаемых проблем.
ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА - ГЛАЗА РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

О. Г. ВЕНДИК

Санкт-Петербургский электротехнический университет

ВВЕДЕНИЕ

Представим себе высоконаправленную антенну, обеспечивающую связь с искусственным спутником Земли (ИСЗ). Такая антенна имеет остросфокусированный луч, точно направленный на объект связи. Примером такой антенны может служить наземная антенна станции "Орбита", которая использовалась в первых советских системах передачи телевидения и обеспечения многоканальной телефонной связи через ИСЗ. Такая антенна представляет собой параболический рефлектор диаметром порядка десяти метров. Для того чтобы осуществить слежение за объектом связи или радионаблюдения с помощью такой антенны, необходимо поворачивать всю эту довольно тяжелую механическую систему.

Очевидно, что во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе большого аэропорта. Особую роль антенны с электронным сканированием играли и продолжают играть в системах противоракетной обороны (ПРО). С начала 90-х годов антенны с электронным сканированием стали объектом внимания автомобильных компаний. В этой связи такие антенны могут стать предметом массового спроса, как цветной телевизор или персональный компьютер.

Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями, получила название фазированной антенной решетки (ФАР). Таким образом, термины антенна с немеханическим движением луча, антенна с электронным сканированием или фазированная антенная решетка практически являются синонимами.

КАК ЭТО НАЧИНАЛОСЬ

Идея, что лучом системы когерентных излучателей можно управлять, изменяя распределение фаз на излучателях, была высказана уже давно. Одна из первых антенн с немеханическим управлением диаграммой направленности была построена для трансатлантической радиотелефонной линии связи в 1937 году. Эта антенна, обладая довольно высокой направленностью, позволяла изменять направление приема лучей в вертикальной плоскости и таким путем выбирать направление прихода лучей, наименее ослабленных при отражении от ионосферы. Так как благодаря направленным свойствам антенны осуществлялся прием только одного отраженного луча, то резко уменьшались замирания сигнала. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных вдоль прямой на участке длиной около 1,5 км. Управление диаграммой направленности осуществлялось изменением фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах. Высокой скорости управления лучом системы ромбических антенн не требовалось.

Развитие радиолокации поставило задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени, измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.

Насколько можно судить по известным публикациям, первая антенна с электронным сканированием для применения в радиолокации была осуществлена в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) в 1955 году в группе под руководством проф. Ю.Я. Юрова (1914-1955). В основу принципа действия антенны было положено управление фазами волн в нескольких излучателях антенны с помощью фазовращателей, содержащих ферритовые элементы. Как раз в те годы в электронике различных частот началось широкое применение ферритов - железосодержащих окислов металлов, которые являются диэлектриками, но обладают магнитными свойствами, близкими к свойствам железа. Работы по радиолокационному использованию антенн с электронным сканированием велись и в США. Первая публикация о фазовращателе на основе феррита, предназначенном для применения в антенне с электронным сканированием, появилась в конце 1954 года, а публикации по самой антенне - в 1956-1957 годах.

Проблема разработки антенны с электронным сканированием слагается из двух составных частей:

1) выбор числа излучателей и конфигурации их размещения;

2) разработка фазовращателей, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях.

На фотографии (рис. 1) показан макет антенны, разработанной в 1954-1955 годах и испытанной в июне 1955 года. Антенна представляла собой решетку из четырех диэлектрических излучателей, сверхвысокочастотная (СВЧ) волна к которым подается через фазовращатели, представляющие собой отрезки прямоугольных волноводов, частично заполненных ферритом. Ферритовые вкладыши находятся в переменном поле электромагнитов. Внешнее магнитное поле изменяет магнитную проницаемость феррита. Изменение магнитной проницаемости среды, в которой распространяется волна, изменяет фазовую скорость волны, в результате возникает требуемый фазовый сдвиг.

КАК УСТРОЕНА АНТЕННА С ЭЛЕКТРОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Следует различать антенны с одномерным и двумерным сканированием или, другими словами, антенны с движением луча в одной плоскости и антенны с движением луча в двух плоскостях. Антенны с одномерным сканированием нужны при работе с объектами, лежащими в одной плоскости. Примером может служить антенна радиолокатора, обеспечивающего управление движением в акватории морского порта, где все объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, находятся на водной поверхности. Иначе обстоит дело при обеспечении связи с искусственным спутником Земли или при управлении движением в районе большого аэропорта. В этих случаях направления на объекты, с которыми устанавливается связь или за которыми ведется наблюдение, могут находиться под разными углами как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, поэтому луч антенны должен перемещаться в двух плоскостях.

На рис. 2 показана схема антенны с одномерным сканированием. Антенна представляет собой линейку излучателей, которые на рисунке схематически представлены в виде рупорных излучателей. Вход антенны представлен одним волноводом или коаксиальным кабелем, который соединяется с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях. На рис. 2 показан плоский фазовый фронт, расположенный под углом qk по отношению к плоскости расположения излучателей. Очевидно, что главный луч антенны формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями, и, таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол qk .

Напомним, что из законов дифракции электромагнитных волн следует, что ширина луча антенны определяется отношением длины волны излучаемых электромагнитных колебаний к размеру антенны:

где Dq - ширина луча, l - длина волны, L - размер антенны.

Пусть линейка излучателей состоит из N излучателей, d - расстояние между соседними излучателями. Тогда, чтобы обеспечить наклон фазового фронта на угол qk , фазовый сдвиг между соседними излучателями должен составлять

Разность фаз между соседними излучателями должна лежать в пределах

- p < Dj

l /2 за пределами сектора качания возникнут дополнительные дифракционные максимумы и диаграмма направленности антенны перестанет быть однонаправленной. Однако дополнительные дифракционные максимумы можно подавить, выбрав элементарные излучатели, из которых составлена линейка, такими, чтобы индивидуальная диаграмма направленности каждого элементарного излучателя обеспечивала подавление излучения за пределами выбранного сектора качания луча линейки излучателей в целом.

Найдем отношение сектора качания луча к ширине самого луча линейки излучателей. Для этого обратимся к формулам (6) и (1). Получим

где N - число излучателей в антенне.

Формула (7) определяет число элементов, из которых должна состоять антенна. Элемент включает в себя излучатель, фазовращатель и цепи управления фазовращателем. Так, например, достаточно хорошо направленная антенна должна иметь ширину луча порядка одного углового градуса: Dq = 1?. Пусть Dqk = 90?, тогда N = 90, то есть конструкция линейки излучателей оказывается достаточно сложной.

Рассмотрим антенну в виде решетки излучателей, обеспечивающей электронное сканирование луча в двух плоскостях. Решетка состоит из системы параллельных линеек излучателей, расположенных в одной плоскости. Число излучателей в составе одной линейки назовем числом излучателей в горизонтальной плоскости Nг , а само число линеек - числом излучателей в вертикальной плоскости Nв . Таким образом, общее число излучателей в рассматриваемой решетке

Nобщ = Nг Nв .

Приведем некоторые количественные характеристики.

1. Ширина луча антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно

2. Сектор качания луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях

3. Телесный угол, совпадающий с секторами качания луча антенны,

DWk = Dqk, г " Dqk, в .

4. Телесный угол, занимаемый лучом антенны, и коэффициент направленного действия антенны соответственно

DW = Dqг " Dqв ,

Используя приведенные выше соотношения, легко убедиться, что отношение телесных углов, занимаемых секторами качания луча и самим лучом антенны, равно полному числу элементов в составе ФАР:

Комбинируя (13)-(16), можно получить формулу, определяющую общее число элементов ФАР через ее коэффициент направленного действия и телесный угол сканирования:

Эта формула представляет собой фундаментальное соотношение теории ФАР. Легко подсчитать, что если выбранные секторы сканирования определяются углами качания луча qk, г = qk, в = ? 30?, а ширина луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях Dqг = Dqв = 1?, то число элементов ФАР составляет 3600.

УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ

Как было показано выше, в цепи питания каждого излучателя ФАР должно находиться устройство, обеспечивающее требуемый фазовый сдвиг, - фазовращатель.

Фазовращатели для ФАР можно разделить на две большие группы:

1) аналоговые фазовращатели, фазовый сдвиг в которых представляет собой непрерывную функцию управляющего воздействия (напряжения или тока);

2) цифровые (дискретные) фазовращатели, фазовый сдвиг в которых задается двоичным кодом:

где

A(q) представляет собой Q-мерный вектор, составленный из нулей и единиц. Пусть Q = 3, тогда в нашем распоряжении будет восемь различных векторов A(q). При помощи соотношений (18) и (19) может быть задан следующий набор фазовых сдвигов: [0?, 45?, 90?, 135?, 180?, 225?, 270?, 315?], каждый из которых отвечает своему номеру q.

В основе аналоговых фазовращателей лежит материал, магнитная или диэлектрическая проницаемость которого изменяется под внешним воздействием. Таким материалом может служить феррит, о котором кратко говорилось выше, или сегнетоэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля [2].

Дискретность задания фаз хорошо вписывается в структуру команд управляющей ЭВМ, хотя и порождает некоторые ошибки в задании координат луча антенны, а также приводит к незначительному увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Однако при большом числе элементов ФАР возникшие таким путем погрешности усредняются и выходят на уровень, которым можно пренебречь.

Активным элементом дискретного фазовращателя служит полупроводниковый ключ, в основе которого лежит полупроводниковый p-i-n диод или транзистор. Использование p-i-n диода в СВЧ-цепях основано на том, что p-i-n диод может иметь два разных состояния. В одном из них (U # Uc) ток через диод не течет, центральная часть диода (i от intrinsic - собственный, нелегированный полупроводник) представляет собой диэлектрик, а диод в целом - конденсатор с малой емкостью и относительно малыми потерями. В другом состоянии (U $ Uc) p-i-n диод проводит ток, центральная часть диода заполняется инжектированными носителями заряда, и диод в целом представляет собой резистор с малым сопротивлением. На рис. 3 представлена простейшая схема дискретного фазовращателя, использующего принцип коммутируемых линий. В зависимости от состояния ключей СВЧ-волна может распространяться либо по более длинному пути, либо по более короткому, приобретая таким образом необходимый фазовый сдвиг. Рабочее напряжение p-i-n диода не превышает 1-2 В, управляющий ток через диод зависит от мощности СВЧ-сигнала, для работы с которым предназначен диод, и находится в пределах 0,1-100 мА. Время переключения p-i-n диода также зависит от мощности управляемого сигнала и лежит в пределах 0,05-5 мкс.

В Советском Союзе СВЧ-фазовращатель на p-i-n диодах впервые обсуждался в докладе Б.В. Сестрорецкого на Антенной конференции в 1961 году. Позже материал доклада был опубликован в журнале "Вопросы радиоэлектроники" (ссылка дана в [3, с. 507]). Решающим технологическим приемом изготовления СВЧ p-i-n диодов оказалась ионная имплантация, которая в начале 60-х годов только начала осваиваться в производстве полупроводниковых приборов. Разработка высококачественной технологии СВЧ p-i-n диодов на начальном периоде была обеспечена группой В.М. Гусева, занимавшегося ионной имплантацией в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова (см. [3, с. 553]).

В 1963 году в США "Microwave Journal" опубликовал статью Ф.А. Бранда, в которой достаточно подробно излагаются перспективы использования p-i-n диодов в технике СВЧ. В частности, Ф.А. Бранд писал:

.

В 70-х годах развитие техники ФАР потребовало организации массового производства фазовращателей на p-i-n диодах. Результаты усилий ленинградской группы научных работников и инженеров по конструированию и оптимизации СВЧ-фазовращателей на p-i-n диодах отражены в монографии [4]. Во введении к монографии мы читаем: "При разработке практических конструкций фазовращателей и переключателей пришлось отказаться от традиционных методов СВЧ-техники и перейти к использованию принципов и технологии микроэлектроники". На рис. 4 приведен СВЧ-фазовращатель на p-i-n диодах, представляющий собой пример крупносерийной промышленной продукции.

ОПТИМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА -

ЗАЛОГ УСПЕШНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ ФУНКЦИЙ ЛЮБОЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Рассмотрим простейший пример - радиолокатор кругового обзора. Такими радиолокаторами оснащены все крупнейшие аэропорты. Подъезжая к аэропорту, можно видеть огромное параболическое зеркало, монотонно вращающееся вокруг вертикальной оси. Это и есть антенна радиолокатора кругового обзора. Такая антенна посылает в окружающее пространство импульсы, которые, отражаясь от целей, несут информацию о координатах самолетов в воздушном пространстве аэропорта. Очевидно, что направления, на которых сосредоточены улетающие и прибывающие самолеты, распределены неравномерно вокруг данного аэропорта и радиолокатор работал бы более эффективно, если бы зондирующий луч его антенны более детально осматривал направления, в которых сосредоточены объекты наблюдения, и за короткие интервалы времени "проскакивал" те секторы, появление целей в которых менее вероятно. Такой режим обзора с переменной скоростью невозможен при использовании антенны со сканированием за счет механического движения ее конструктивных элементов, так как переменная скорость движения привела бы к огромным механическим ускорениям и соответственно неприемлемым механическим нагрузкам на элементы конструкции антенны. Задача обзора пространства с переменной скоростью легко решается антенной с электронным сканированием.

Более сложный пример - работа радиотехнической системы при наличии источников помех. Дифракция СВЧ-волн на большом числе элементов ФАР формирует главный луч антенны, определяющий то направление, в котором антенна обеспечивает максимум излучения или в котором она с наибольшим усилением принимает сигнал от внешнего источника. Кроме того, диаграмма направленности любой антенны имеет направления, вдоль которых ее усиление равно нулю. Изменяя распределение фаз на элементах антенны, можно управлять направлением нулевого приема. Таким образом, ФАР может быть настроена на максимум усиления в желательном направлении и на нулевое усиление в нежелательном направлении. Такая антенна носит название адаптивной [5]. Адаптивная антенна сохраняет зоркость в заданном направлении и как бы "прищуривает глаз" в направлении помехи. Использование адаптивной антенны существенно повышает надежность функционирования любой радиотехнической системы, будь то радиолокатор, радионавигационная станция или просто система связи. Таким образом, ФАР не просто осуществляет прием или передачу сигналов. Она осуществляет первичную обработку информации на входе радиотехнической системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Появление и развитие ФАР - одна из ветвей триумфального шествия радиоэлектроники XX века. Техника ФАР объединила в себе решение проблем электродинамики, физики твердого тела и способов обработки информации. Развитие техники ФАР оказалось серьезным стимулом решения проблем СВЧ-микроэлектроники как основы микроминиатюризации СВЧ-компонентов и обеспечения их массового производства. Напомним, что в состав ФАР может входить до 10 000 элементов, каждый из которых представляет собой законченное, достаточно сложное устройство. Только широкое освоение производственных приемов микроэлектроники смогло технически и экономически обеспечить приемлемую стоимость больших ФАР.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча: Введение в теорию. М.: Сов. радио, 1965. 360 с.

2. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Под ред. О.Г. Вендика. М.: Радио и связь, 1979. 272 с.

3. СВЧ-устройства на полупроводниковых диодах: Проектирование и расчет / Под ред. И.В. Мальского, Б.В. Сестрорецкого. М.: Сов. радио, 1969. 260 с.

4. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ-фазовращатели и переключатели: Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984. 184 с.

5. Пистолькорс А.А., Литвинов О.С. Введение в теорию адаптивных антенн. М.: Наука, 1991. 200 с.

* * *

Орест Генрихович Вендик, доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского электротехнического университета, лауреат Государственной премии. Область научных интересов: электроника твердого тела и техника сверхвысоких частот. Автор более 200 научных статей и трех монографий.

[Harmf]

Теле-Спутник - 8(22) Август 1997 г.
Кратко излагается история и прогноз развития фазированных антенных решеток. Главный вопрос, рассматриваемый в статье, - определение технической и экономической целесообразности использования антенн с электронным сканированием в системах непосредственного телевещания (СНТВ).

Если кто и заслуживает звания отца телевидения, то это Владимир Кузьмич Зворыкин, ученик профессора Санкт-Петербургского технологического института Бориса Розинга - ученого, предложившего в 1907 г. идею телевидения с электромеханической разверткой. Эмигрировав в США и работая там в фирме Wеstinghоusе, Зворыкин в 1923 г. изобрел кинескоп, став тем самым создателем главного элемента телевидения с электронным движением луча [1] .

Идею антенны с электронным движением луча обосновал тоже русский эмигрант, американский ученый Сергей Александрович Щелкунов. Уже в 1935 г. удалось изготовить ФАР с шириной главного луча 2,50 , а затем и с шириной 10. Антенны такой конструкции в то время применялись для радиоприема в коротковолновом диапазоне [2]. Последующие четыре десятилетия ФАРы применялись преимущественно в системах военного назначения: ракетно-космических, авиационных и т.п. Однако с запусками телевизионных спутников ситуация изменилась.

Антенная решетка представляет собой ряд излучателей, соединенных между собой фидерной линией (рис. 1а). Если фазы всех излучателей равны, то суммарный луч направлен перпендикулярно к плоскости антенны. Такое устройство называют синфазной антенной решеткой (АР). Если ввести в фидерные линии фазовращатели и менять фазу сигнала в каждом излучателе, то при этом в определенном направлении сигналы придут в фазе и усилят друг друга. Таким образом в это направление, где все излучатели в фазе, повернется суммарный луч (рис. 1б). Такая антенная решетка называется фазированной (ФАР). Диаграмма направленности (ДН) ФАР определяется из соотношения (см. формулу).

Отклонение луча в ФАР на угол j можно обеспечить путем изменения фазы сигнала от излучателя к излучателю так, чтобы разность фаз в соседних излучателях составляла 2p(s/l) sinj (см. рис. 1).

Параболические антенны с элек-тромеханическим сканированием традиционно используются для приема программ со спутника, однако они имеют ряд недостатков, в частности, связанных с устойчивостью к воздействию окружающей среды. Плоские же антенны обладают большей устойчивостью к воздействию ветра, дождя и снега, и их легче размещать на поверхности зданий (см. табл. 1). Поэтому уже в 1986 г. было предложено применять для СНТВ синфазные плоские антенные решетки (АР), не содержащие фазовращателей (рис. 1а). Фирма Маtsushita Electric Works занимается разработкой и сбытом таких антенн для СНТВ с 1987 года. В апреле 1987 г. АР этой фирмы для приема передач со спутника BSB были закуплены в Англии, а для приема со спутника TV-SAT - в ФРГ.

Фирма Маtsushita выбрала для своих АР печатную многослойную конструкцию, где имеются слои из пеноматериала, а также печатные платы из тонкой фольгированной пленки с антенными излучателями. В настоящее время эта конструкция находит применение в коммерчески доступных АР. Фирма выпускает антенны, имеющие к.п.д. 60 - 70% в трех модификациях - с левой, правой и линейной поляризациями, размером от 35х35 см до 60х60 см. Коэффициент усиления (КУ) этих АР составляет в зависимости от рабочей частоты и габаритов от 31 до 36 дБ [3]. Данные для двух антенн такого класса приведены в табл. 2.

Конечно, в самой технологии АР заложена возможность установки управляемых фазовращателей (ФВ) одновременно с излучающими элементами. Современный ФВ изготавливается из полупроводниковых диодов или варакторов. В последние годы готовятся к выпуску ФВ в виде интегральных микросхем. Таким образом стала возможна распайка ФВ на той же печатной плате, где вытравлены излучатели, - правда, это увеличивает стоимость антенны. Поэтому для массового пользователя, в отличие от военного, чрезвычайно важно определить - в чем же заключаются новые функциональные возможности ФАР и какова цена такого усложнения. Для этого определим требуемое количество ФВ с помощью формулы для ДН.

Далее приведем результаты проектирования ФАР размером 65х65 см, проведенного специалистами фирмы "Резонанс" (Петербург). Результаты расчетов представлены в табл. 3.

Анализ этих расчетов показывает, что коммерческий интерес представляет, например, ФАР, содержащая 12 ФВ и позволяющая принимать в Западной Европе спутники, расположенные в секторе ±80,- в частности, это сектор от ASTRA 1A-1B (19,20 в.д.) до TELECOM 1C (30 в.д.). Другой интересный вариант - ФАР на 24 ФВ, перекрывающая сектор ±160, например, от EUTELSAT2-F1 (130 в.д.) до TVSAT2 (190 з.д.). Такая ФАР будет принимать на территории Западной Европы девять спутников, как это показано на рис. 2.

На печатной плате размером 65х3 см устанавливаются диодные ФВ, предназначенные для управления лучом (рис. 3). Такой ФВ управляется трехразрядным цифровым кодом и поэтому наиболее удобен для совмещения с цифровым позиционером, имеющимся в тюнере. Важным следствием цифровой совместимости ФВ и тюнера является режим автопоиска спутников, расположенных в секторе сканирования, с запоминанием в соответствующих ячейках памяти значений углов. Последующее обращение пользователя к этой ячейке приведет к быстрой (доли секунды) установке ФАР на этот спутник. Этот режим представляет существенное удобство для пользователя и похож на известный режим автопоиска в частотном диапазоне телевизора, только проводится в угловом диапазоне перестройки фазовращателей ФАР. Наличие режимов автопоиска и по частоте, и по пространству, безусловно, необходимо - по крайней мере, в престижных, дорогостоящих моделях СНТВ.

С помощью данных, приведенных в табл. 3, зная необходимый сектор сканирования, можно определить количество ФВ - и далее, исходя из стоимости диодов и изготовления микрополосковых ФВ (например, восьмидиодных), цену всего электронного блока сканирования. Эту величину следует прибавить к стоимости собственно печатной антенны, цену которой определяют исходя из ее площади (в качестве ориентира можно пользоваться данными из табл. 2 ).

Важным отличием ФАР от используемых сегодня парабол с электромеханическим управлением являются микросекундные длительности при переключении луча. Такая высокая скорость перемещения луча в пространстве позволяет использовать ФАР в системах СНТВ, устанавливаемых на подвижных объектах: самолетах, крупных автомобилях, автобусах, кораблях и т.д. В подтверждение этого можно отметить ФАР, серийно выпускаемую в США для установки на самолет фирмы "The Boeing Co.". Эта решетка представляет собой модульную конструкцию стоимостью 9100$ и предназначена для приема телевизионного сигнала непосредственно в полете пассажирского самолета [4] .

Интерес к антенным решеткам в последние годы значительно возрос в связи с заметными успехами в области технологии изготовления печатных плат, а также благодаря созданию новых высококачественных диэлектрических материалов. Немаловажным обстоятельством является простота их изготовления, поскольку печатная технология обеспечивает создание одновременно большого количества антенных элементов и всех линий фидерной сети в едином технологическом цикле. По своим технологическим характеристикам антенные решетки уже могут конкурировать с параболическими антеннами такого же размера. И хотя стоимость их еще недостаточно низка, массовый выпуск подобных антенн сулит большие выгоды, поскольку применяемая для этого технология изготовления печатных плат обеспечивает не только высокую воспроизводимость параметров, но и существенное снижение стоимости при массовом выпуске.

Выводы:

1. Анализ развития СНТВ показывает, что с каждым годом количество спутников будет расти, и это приведет к необходимости принимать с помощью одной антенны сигналы с разных направлений. Для решения этой задачи наибольшую перспективу представляют фазированные антенные решетки с печатной платой в качестве излучающего полотна и диодными фазовращателями. Такие ФВ полностью совместимы с позиционером тюнера и будут иметь невысокую стоимость при массовом выпуске.
2. Использование ФАР позволит получить новые, удобные для пользователя режимы работы, такие как автопоиск спутников с последующим запоминанием координат и микросекундное переключение на нужный спутник, для сравнения отметим, что переход со спутника на спутник в электромеханической системе с параболическим зеркалом занимает десятки секунд или даже несколько минут.
3. Фазированные антенные решетки имеют высокую скорость переключения луча, что позволяет использовать их в СНТВ, устанавливаемых на подвижных объектах: автобусах, автомобилях, кораблях.

Список литературы:

1. Electronics. Special Commemorative Issue. 1980, Vol. 53, №9 (587), p. 28.
2. Щелкунов С.А., Фриис Г. Антенны, "Сов. радио", М., 1955, с. 471.
3. TEI, 1990, V111, №8, p. 63, 64.
4. Fitzsimmons G.W. " Phase-Array Antenna "Microwave Journal, January 1994, Vol. 37, №1, p. 114-128.